欧盟及亚洲3D打印发展战略概览

欧盟及亚洲3D打印发展战略概览

于灏一、欧盟1.政策概要欧盟在3D打印方面的布局和美国类似，于2004年开始搭建3D打印创新中心——欧洲3D打印技术平台（TheEuropeanAdditiveManufacturingTechnologyPlatform，AMPlatform）。目前，平台联盟成员超过350名，横跨欧盟26个国家，其中72%的成员来自工业界，其余的成员来自于研究机构。AMPlatform的主要功能是提供3D打印发展的策略与需求分析研究，为欧盟执委会政策及研发计划的制定提供参考依据。该平台和欧洲以外的3D打印相关组织如“快速成形协会国际联盟（GlobalAllianceofRapidPrototypingAssociations，GARPA）”均保持良好合作關系。AMPlatform于2012-2014年发布了多版《3D打印战略研究议程》报告，为整个欧盟3D打印的技术进步和产业发展提供了指导框架，并着力推动3D打印成为一个可以长期推动欧洲经济发展的关键技术。欧洲航天局（ESA）也正在积极探索3D打印在太空的应用。2012年，ESA进行了一项“针对太空应用的通用零部件加工-复制工厂”的研究，着重使用高分子和金属材料开发国际空间站所需的可替换部件。ESA同时还支持了“月球表面栖息地原位3D打印”项目，与此同时美国也正在开发类似的技术。此外，意大利航天局（ASI）还支持一个太空3D打印项目，并于2015年向国际空间站运送了一台熔融沉积成型（FDM）太空3D打印机。2.技术开发概要20世纪80年代，欧盟在3D打印技术出现之初就开始在“第一框架计划（FP）”中布局了相关工作。30年以来，欧盟通过各种计划对3D打印进行持续支持，推动其在各领域的应用发展。美国战略性布局3D打印以后，欧盟在2013年通过“第七框架计划（FP7）”投入大量经费，进行大范围部署。1991-2013年间，欧盟通过多个“框架计划”共设立了88个3D打印相关项目，其中FP7布局61个项目，支持经费1.60亿欧元，总投入达到2.25亿欧元。这其中将近30%的项目是进行3D打印材料的开发，涉及金属、高分子、生物、无机非金属和其他材料。其余70%的项目用于技术和应用的发展，领域覆盖健康、一般工业、航空航天、电子产品和消费品等（见表1）。代表性的项目包括PERFORMANCEFP7项目（食物供应链）、NANOMASTERFP7项目（材料）、REPAIRFP7项目（航空工业）、ARTIVASC3DFP7项目（生物医用材料）、MANSYSandMERLINFP7项目（生产技术）、DIGINOVAFP7项目（数字化制造）。欧盟在后续的“地平线2020”计划中，也将继续支持3D打印。新计划中将重点关注技术成熟度中的“死亡谷”地带，即3D打印技术TRL4-7阶段的发展，将针对不同领域的专业化需求进行布局，从而推动3D打印整体的快速发展，这与“美国国家增材制造中心”的发展思路不谋而合。欧盟在进行资金投入的同时，也开展了路线图的研究工作。AMPlatform先后制定了欧盟3D打印的技术路线图、产业路线图和标准路线图（图1-3）。该图不仅体现了欧盟3D打印技术发展的需求，同时也反映出这项技术对欧盟未来经济、社会和环境发展所带来的积极作用。对于欧盟未来的3D打印技术和产业发展来说，工业界的参与是至关重要的，这将直接影响这项技术的发展活力和今后在不同领域的渗透程度。因此，欧盟的项目资金将用于扶持工业界和学术界在3D打印领域的发展和合作，以及技术的突破、转移和专业机构的培育。另一个重要的部分是3D打印的标准化工作，其对于欧盟3D打印产品的质量提高、工艺成熟和相关服务的完善都起到了重要的作用，将推动这项技术在欧洲快速的商业化。虽然欧盟在3D打印领域已经投入了很多的资金，但依据AMPlatform制定的技术路线图，欧盟还需要加大投入已维持现有的全球3D打印主要引领者的地位，否则其他经济体如中国将有可能在未来实现赶超、抢占欧盟在此领域的地位。3.各成员国情况英国认为3D打印对于提升英国高附加值制造业竞争力具有重要的战略意义，因此在《英国未来高附加值技术展望》报告中将其列为应对未来挑战急需发展的22项先进技术之一。随后，英国技术战略委员会（TechnologyStrategyBroad，TSB）发布的新版《高附加值制造业战略2012-2015》又将3D打印的重要性进一步提升。2007-2016年，英国在3D打印领域的投入将达到9560万英镑，其中8000万英镑被用于科学研究，1560万英镑用于技术转移。此项投入支持的范围从3D打印的模型设计一直到终端的产品制造，并通过企业主导的研究，推动3D技术的成熟和推广。在各应用领域中，航空航天的投入比例最高，达到3350万英镑。其中政府直接投资为1300万英镑，拉动社会投资2050万英镑。在医疗健康、汽车和消费领域的投资则分别达到1450万、1000万和1000万英镑。此外，英国在还诺丁汉、谢菲尔德、拉夫堡、埃塞克斯等大学成立了3D打印研究中心，并设立“英国3D打印特别兴趣小组（AdditiveManufacturingSpecialInterestGroup，AMSIG）”。德国作为传统制造业强国于2008年成立“直接制造研究中心（Directmanufacturingresearchcenter，DMRC）”，总部设在帕德博恩大学，合作伙伴包括波音、西门子、EOS、3DSystems、Stratasys、SLMsolutions等多家知名公司。该中心旨在联合工业界和学术界共同促进德国3D打印技术的发展。同时，DMRC还进行了领域研究，出具了一系列重量级研究报告，包括2013年发布的《超前思维3D打印的未来-需求创新路线图》，以及2011年和2012年发布的《超前思维3D打印的未来-工业前景分析》《超前思维3D打印的未来-未来应用》报告。这些研究报告进一步明确了3D打印的前景应用领域，包括航空航天，汽车和电子等。西班牙方面，“西班牙快速制造协会”已经组建了一个创新工作组（AEI-DIRECTMAN），将国内大部分3D打印相关机构和单位纳入其中。在工业领域，3D打印的研发活动主要由社会资本主导，Ascamm技术中心、AIMME金属加工技术研究所等机构引领了西班牙3D打印的发展。同时，从事个人3D打印机开发的创新公司也相继成立，开展相关设备及应用的开发，组织周边商业活动。一些地方政府也非常积极，包括加泰罗尼亚、阿拉贡、阿斯图里亚斯等多个地区参与了欧盟“面向精明专业化的研究和创新战略（RIS3）”计划，推动当地3D打印的发展。法国方面，“法国快速原型协会”在3D打印的标准化方面，做了很多的工作，已经完成3项标准的制定，涉及3D打印术语，粉末技术规范，以及制件规范。葡萄牙方面，3D打印方面的研究得到了葡萄牙科学技术基金、葡萄牙创新促进中心以及工业界的大力支持。同时，“葡萄牙3D打印创新中心（PAMI）”也宣布成立，将参与制定葡萄牙国家基础研究路线图。荷兰方面，3D打印技术已经成为产品开发过程中的重要部分。荷兰研究中心TNO已经与其工业合作伙伴共同启动了“彭罗斯共享研究计划”，开发下一代3D打印设备以及工业产品。比利时方面，佛兰德斯地区的“3D打印结构工程材料”发展计划开始实施，并于2014年启动了3个项目，发展高分子激光烧结和金属选择性激光熔化工藝。该计划包含了比利时多所研究机构、大学和企业。同时，3D打印领域的教育培训活动也正在开展，辅助传播推广这项先进制造技术。二、亚洲地区1.日本日本政府在2014年投入40亿日元，由经济产业省组织实施“以3D打印为核心的制造革命计划”。该计划分为2个主题，预算规模上限分别为32亿元日元和5.5亿元日元。“新一代企业级3D打印机技术开发”主题以金属材料3D打印机为对象，而“超精密3D成型系统技术开发”主题以砂模材料3D打印机为对象。“新一代企业级3D打印机技术开发”项目将对电子束和激光束2种能量源工艺进行研究，最终的目的是开发快速高精度金属3D打印机，即到2018年末实现打印速度提高10倍，精度提高5倍，力争在2020年投入实用（见表2）。“超精密3D成型系统技术开发”则是实现快速低成本砂模3D打印，通过提高成型速度和最大成型尺寸来提升生产效率，同时降低装置的价格，降低铸模制造成本，最终提升砂模3D打印竞争力（见表3）。该项目除了3D打印设备的研制外，还包括后处理自动化设备和新型粉末材料的开发。前者将研制钛系和新材料合金以外的粒径小于20μm的金属粉末，后者则开发用于铸造高熔点金属的人工砂和粘合剂，并研究混合沉积不同砂子的方法。2.韩国2014年11月，韩国发布了一个长达10年的3D打印战略规划，以推动和发展3D打印技术，使之成为新兴增长市场，并帮助制造业部门实现转型。根据该路线图，政府未来10年的重点工作将聚焦于10大领域，涉及8大产品领域，包括医疗、模具、文化、国防、电力电子、汽车、航空和能源，以及2个服务领域设计和销售。在技术发展方面，该规划包括装备、材料、软件等方面的15项重点战略技术。该路线图将成为韩国政府布局3D打印项目的依据和指导。2012年，韩国的3D产业产值约为2900万美元，仅占全球2.3%的市场份额。韩国希望该计划将促进3D行业的发展，到2020年，全球市场份额可以提升至15%。韩国科学、信息通信技术和未来规划部（MSIP）还计划到2017年为5885所学校和227所图书馆提供3D打印机，并在2020年前让1000万韩国民众用上3D打印机。3.中国台湾地区2014年4月，中国台湾地区科学技术管理部门宣布了一项为期3年的3D打印发展计划，同年8月在《3D打印科技的发展及推动》的报告中称，计划未来4年将投入10亿新台币（约2亿人民币）支持13个研究计划。重点是以应用为向导、着重布局3D打印设备、软件和材料的开发，并推动数据库的建立，计划在2018年前，培养百万名3D打印应用与文创人才，包括3D打印设计师与绘图人才，建成从关键部件、材料到软件技术完全自主的3D打印产业集群，掌握全球3D打印30%的产能，建立世界级的创意设计与中华文化巨量信息图库。4.新加坡2013年11月，新加坡科学局（A*STAR）推出了一项总投资达1500万新元的3D打印发展计划，发展3D打印6项工艺技术，包括激光辅助3D打印（LAAM）、选择性激光熔化（SLM）、电子束熔炼（EBM）、多孔打印、选择性激光烧结（SLS）和光固化（SLA）。该计划由A*STAR下属的制造技术研究院（SIMTECH）牵头，南洋理工大学（NTU）、材料与工程研究所（IMRE）和高性能计算研究所（IHPC）参与合作。该计划的目的是为了支撑新加坡制造业领域的发展，特别是航空、汽车、石油天然气、海洋和精密工程业等高技术制造业，2012年这些领域的产值占到新加坡国内生产总值的20%。2014年5月，由新加坡南洋理工大学（NTU）投资3000万新元建立的“南洋理工增材制造中心（NAMC）”正式成立。该中心还与德国SLMSolutions签署了联合实验室建设协议，开发下一代3D打印机。三、中国2015年伊始，中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、财政部正式发布《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》，从国家战略高度提出3D打印的发展方向和目标。该计划将针对3D打印产业链中各关键环节如材料、工艺、设备和标准中的核心技术瓶颈进行布局，实现技术和产品上的快速发展。同时，该计划还将通过需求牵引与创新驱动相结合，3D打印技术和传统制造技术相结合等方式，来推进中国国3D打印产业健康有序发展。与欧美国家3D打印战略计划相比，该计划更加突出了政府引导和技术创新的牵引作用，这将为中国追赶欧美3D打印的领军地位提供强大的保障。该计划提出到2016年，初步建立较为完善的3D打印产业体系，整体技术水平保持与國际同步，在航空航天等直接制造领域达到国际先进水平，在国际市场上占有较大的市场份额。技术水平方面，部分工艺装备达到国际先进水平，初步掌握3D打印材料、工艺软件及关键零部件等重要环节的关键技术。应用方面，3D打印成为航空航天等高端装备制造及修复领域的重要技术手段，初步成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。产业方面，3D打印产业销售收入实现快速增长，年均增长速度30%以上，形成2～3家具有较强国际竞争力的企业。支撑体系建设方面，成立行业协会，建立5～6家3D打印创新中心，形成较为完善的产业标准体系。具体的推进计划涵盖5个方面。①材料方面：将着力突破航空航天、生物医药、工业产品设计开发所用的金属、医用、无机非金属材料，实现钛合金、高强钢、部分耐高温高强度工程塑料等专用材料的自主生产。②工艺方面：将搭建技术研发平台提升以激光选区熔化（SLM）、光固化成形（SLA）、熔融沉积成形（FDM）为代表的9种工艺的技术水平，以及数字建模、工艺控制等软件的开发，实现金属构件成形的高效、热应力控制及变形开裂预防